AT3004,液环式真空泵膨胀端轴承室设计优化
时间：2023-02-25 18:20:08 来源：千叶帆 本文已影响人
牛永哲， 雷 鹏
（华能玉环电厂， 浙江 玉环 317604）
液环式真空泵为电厂抽真空系统重要设备， 机组启动初期及正常运行中，除去凝汽器中的非凝结气体，以满足汽轮机启动要求，并在机组运行期间保持凝汽器真空[1]。佶缔纳士（NASH）AT3004 系列真空泵非驱动端为定位轴承（死点），轴承室内外端盖将轴承固定住，而驱动端（即靠近电机侧，自由膨胀端）为浮动轴承。
考虑到真空泵转子及泵壳热膨胀因素， 制造厂家在轴向设计上允许有一定活动空间。该设计易导致真空泵长期运行后，膨胀端轴承室磨损，转子与壳体动静碰磨等重大安全问题。本文针对该问题对该系列真空泵膨胀端轴承室设计进行优化，消除了安全隐患。
华能玉环电厂4×1000MW 火电机组， 共装机12 台AT3004 系列液环式真空泵。
该真空泵采用TIMKEN 67388/67322D 双列圆锥滚子轴承，与轴承室设计配合间隙0.15mm。
随真空泵运转， 轴承外圈与轴承室会产生相对摩擦运动，导致轴承室凹陷，转子失去定位尺寸，偏离轴心运转并与泵壳碰磨。
2021 年11 月至今，利用两次计划检修时机，对6 台汽侧真空泵轴承室解体检查发现，其中4 台真空泵膨胀端轴承室已严重磨损 （最大磨损深度达0.75mm）， 且转子与壳体存在明显的动静碰磨痕迹，见图1、图2。
图1 膨胀端轴承室底部偏磨下沉
图2 真空泵转子与壳体碰磨
由图1 可见，从电机向泵方向看，膨胀端轴承室磨损位置均位于左下方。
AT3004 系列液环式真空泵转子为偏心设计，真空泵叶轮、壳体与水环形成腔体[2]。
壳体空间大的位置，水容积较壳体空间小侧大很多。
由图2 可见，右上位置壳体空间最大，左下位置壳体空间最小，真空泵运转期间水环质量右上大于左下。
水环经离心作用甩至壳体，壳体内壁通过水环最终反作用于转子，使整个转子受力方向在左下方位，故驱动端轴承室左下方位磨损严重，转子与壳体也在左下位置碰磨。轴承室磨损，导致转子运转位置偏离轴心，与壳体动静碰磨，影响设备安全运行。
该系列液环式真空泵轴承室磨损情况， 经咨询NASH制造厂家，厂家反馈“也已发现其它三家火电企业返修真空泵存在相同问题，该系列真空泵，因驱动端轴承为膨胀端，对已运行10 年以上泵组，轴承室为正常磨损”。
目前，制造厂家解决方式为重新制作并更换轴承室，但制造、更换成本高昂，且无法解决轴承室修复后，真空泵运转时，轴承室外圈与轴承室相对运动，真空长期运转后，轴承室仍会被磨损问题。
经对真空泵轴承室及轴承结构分析，导致AT3004 系列真空泵膨胀端轴承室内圆磨损根本原因为 “轴承室与轴承外圈配合间隙大”和“轴承外圈径向旋转”两方面。针对两方面问题，对膨胀端轴承室设计进行优化，制作了轴承室径向定位防转装置。
该装置主要包括 “轴承室内镶套”、“径向防转销”两部件，并与原轴承外环或经改造的轴承外环配合使用。
2.1 优化方案
该优化方案，不必重新制作轴承室，可以低成本实现真空泵原有功能，并解决存在的问题。图3 为玉环电厂所用优化方案结构关系图，实施过程如下：
图3 防转装置结构关系图
（1）对已磨损的轴承室内径镗孔，并精车至内径207.00mm，制作轴承室内镶套， 见图4， 内镶套内径196.90mm， 外径207.07mm（即安装后内镶套与轴承室紧力0.07mm），将内镶套冷套入精车后的轴承室 （精车后轴承室内径与内镶套外径尺寸不做具体要求， 但须重点保证两部件配合紧力在0.06～0.08mm， 内镶套与轴承外圈配合间隙减小为0.04～0.05mm）。
图4 轴承室内镶套
（2）对防转销孔攻螺纹孔。
（3）按图纸尺寸制作径向防转销，防转销头部长度7mm，截面直径Φ4mm（备注：轴承外环外径196.85mm，外环中间注油槽宽度12mm、槽深4mm，中间油孔内径Φ6mm、孔深9mm）。
（4）将轴承装入轴承室，外圈居中布置。
（5）将径向防转销全部旋入销孔，并回旋半圈，以此保证轴承外环不被防转销顶死， 同时保证防转销头部进入轴承外圈定位孔深度2mm。
（6）防转销与销孔间隙为2mm，真空泵投运后，轴承外圈销孔即可立即被防转销顶住，确保轴承外圈无法旋转。
目前， 华能玉环电厂已对四台真空泵轴承室按以上方案优化，效果显著。
该设计优化方案，可在驱动端轴承轴向正常膨胀前提下，不产生径向旋转，根治了原设计真空泵膨胀端轴承外圈随泵旋转，磨损轴承室，最终导致真空泵转子与壳体碰磨等重大安全隐患。
2.2 可替代方案
上述设计优化方案并非唯一，也可采用下述5 种可替代优化方案。
无论采取何种优化方案，最终目的都需在靠电机侧轴承轴向膨胀不受影响前提下，解决轴承外圈径向旋转问题。
优化方案见图5，五种可替代优化方案如下：
图5 可替代方案
（1）将轴承外圈油孔扩为Φ11mm：可将其扩为通孔Φ11×9mm（可替代方案1），也可扩为台阶孔Φ11×5mm（可替代方案2），径向防转销头部截面直径6～8mm 均可。
（2）在轴承外圈重新加工Φ11×5mm 非通孔（可替代方案3），径向防转销截面6～8mm；
在径向防转销安装前，应在非通孔内提前注润滑脂。
（3）加工T 形插键，并在T 形插键顶部铣槽（长度12mm-宽度7mm-深2mm）（可替代方案4）， 径向防转销头部截面6mm，长度5mm，防转销可在T 形插键槽内滑动，槽内提前注润滑脂。
（4）轴承外圈直接铣槽（长度12mm-宽度7mm-深2mm）（可替代方案5），径向防转销截面6mm，即防转销在方槽内滑动，槽内提前注润滑脂。
2.3 优化方案使用效果
对AT3004 系列汽侧真空泵膨胀端轴承室设计优化后，因内镶套内径196.90mm，与轴承外圈配合间隙从设计值0.15mm 缩小为优化值0.05mm，配合间隙降低可提高转子运转精度，同时降低轴承振动。
同时，制作径向防转销并旋入销孔，使防转销头部进入轴承外环导向孔或导向槽，头部与导向孔径向间隙不低于2mm，因此可确保真空泵运转期间，膨胀端轴承轴向有充分的膨胀间隙；
对径向，即使轴承外圈被带动旋转， 也会在刚开始旋转瞬间， 抵至径向防转销头部，抑制其旋转。
通过该系列真空泵膨胀端轴承室设计上的两项优化，解决了原设计真空泵存在的膨胀端轴承外圈与轴承室相对运动，轴承室磨损问题。
AT3004 系列液环式真空泵膨胀端轴承室配合间隙大及轴承外圈径向旋转，是造成轴承室磨损，真空泵动静碰磨重要原因。对膨胀端轴承室进行优化，制作轴承室内镶套减少配合间隙， 设计制作径向防转销实现轴承外圈在旋转方向定位，解决了膨胀端轴承外圈随泵旋转，轴承室磨损问题， 消除了真空泵转子因轴承室磨损而失去定位尺寸，与壳体碰磨等重大安全隐患。
该AT3004 系列液环式真空泵膨胀端轴承室设计优化方案， 已在华能玉环电厂四台真空泵实施，成本低廉但效果显著，对同类型液环式真空泵的设计提供借鉴及参考作用。
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